基于MBD的乘用車嵌入式軟件開發方法研究

【摘 要】隨著乘用車行業的飛速發展，用戶對于乘用車的需求越來越高，使得汽車電子控制單元ECU的功能也越來越復雜，乘用車的迭代速度和可移植性逐漸成為汽車軟件開發人員的主要關注點。手寫代碼的開發方式在開發周期、開發難度和可移植性上都顯示出了較大弊端，基于模型設計MBD的嵌入式軟件開發方法能夠有效解決該問題。文章對基于MBD的乘用車嵌入式軟件開發方法進行詳細介紹，從而提高開發效率和軟件品質，對乘用車嵌入式軟件開發工作具有較強的指導意義。

【關鍵詞】乘用車;MBD;嵌入式軟件

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）09-0029-03

Research on Embedded Software Development Method for Passenger Car Based on MBD

HAN Hao，ZHAO Wenbo

（FAW Car Co.，Ltd.，Changchun 130012，China）

【Abstract】With the rapid development of the passenger car industry，the demand for passenger cars is getting higher and higher，making the functions of automotive ECU more and more complex，and the iteration speed and portability of passenger cars have gradually become the main concerns of automotive software developers. The handwritten code development method shows great disadvantages in terms of development cycle，development difficulty and portability，and the embedded software development method based on MBD can effectively solve this problem. This paper introduces the embedded software development method of passenger cars based on MBD in detail，so as to improve the development efficiency and software quality，and has strong guiding significance for the development of embedded software for passenger cars.

【Key words】passenger car;MBD;embedded software

1 概述

中國乘用車嵌入式軟件開發發展經歷了3大階段，如圖1所示，分別經歷了匯編語言、C代碼和MBD。

MBD是一種基于模型的軟件設計方法[1]，其核心在于根據需求使用建模工具進行建模，并完成自動代碼生成，最后使用仿真測試工具對模型進行驗證。基于MBD的方法較傳統手寫代碼的方法在開發方式、開發周期、代碼品質、可靠性和代碼維護上均有較強優勢，其具體內容如下。

1）開發環境更統一，適用于不同背景的開發人員，有利于整體項目的整合。

2）開發方式上將功能進行分解，不同于手動編碼容易產生漏洞，采用圖形化的設計方式，呈現的效果更直觀，建模過程更簡單，出現的問題更少，測試更容易。

3）開發周期較手寫編碼大幅縮短，全部代碼、文檔自動生成，支持多種驗證方式，降低了錯誤的產生，優化了設計和測試方式。

4）代碼品質更客觀，按照既定的系統需求，采用可視化模擬的方式來優化代碼，并自動生成符合行業標準的C語言代碼。

5）維護難度更小，系統需求和軟件設計相互關聯，整個開發過程可以持續驗證，需求或變更時只需要簡單調整模型即可，移植性較強。

綜上所述，基于MBD的開發方法邏輯實現更加直觀，可以快速地進行開發、仿真和測試，并且在項目早期便可以解決大量問題，使得開發的周期和成本大大減少。因此，基于MBD的開發方式直擊傳統乘用車嵌入式軟件開發的痛點，并迅速成為了眾多嵌入式軟件設計師開發過程中的第一選擇。

2 開發流程

乘用車軟件開發需要依賴于完整的周期，當前主流開發模式是V型開發模式[2]，其具體內容如圖2所示。整個V型結構下，以系統需求為開端，系統設計和軟件需求共同形成開發的嵌入式需求規范，并將此作為標準進行算法設計和代碼生成，并通過軟件測試、系統測試和功能測試等進行多輪驗證，保證軟件的正確性。整個開發流程中，每一個開發階段與測試階段相互對應，可以對軟件的準確性進行精確驗證。

基于MBD的開發方式屬于V型方式的一種，并對V型方式進行優化。整個流程以需求、開發、測試為主體，每一階段都包含不斷地回溯和驗證，該流程下實現的嵌入式軟件能夠規避掉很多開發問題。基于MBD的嵌入式軟件開發流程如圖3所示。項目開始階段，系統設計人員需要根據項目具體需求，以文檔方式建立系統需求規范，以便作為整個項目的實施標準。開發人員針對系統需求進行反復解讀，明確系統需求的各部分內容，并根據系統需求建立軟件需求以便指導后續的開發工作。項目中期屬于開發階段，開發人員根據上一階段的設定標準進行接口和架構設計，該環節執行的好壞能夠直接影響開發工作的效率。在具備良好的架構設計后，開發人員可使用建模工具針對功能邏輯進行可視化設計，設計過程中應嚴格按照模型靜態檢查標準，以確保模型可靠性。整個模型建模完成后，通過自動代碼生成功能生成C標準代碼和模型跟蹤報告。項目后期的測試階段中，軟件在環測試由開發人員執行，目的是確保軟件正常執行和保障基礎功能實現。實車測試由專業測試人員進行，用于發現工程在真實環境下的細節問題。整個項目進行過程中，每個階段相輔相成，能夠極大程度保證代碼品質。

3 軟件開發

3.1 接口設計

接口設計作為開發階段的第一步，目的是按照需求標準確定各功能模塊輸入輸出信息，其具體內容有：信號類型、報文ID、信號名、接口類型、數據類型、初始值、有效值取值范圍、描述信息和接收/發送模塊。其中信號類型一般可分為控制器局域網絡（Controller Area Network，CAN）、本地互聯網絡（Local Interconnect Network，LIN）及硬線等，一般指信號來源或信號去除。報文ID表示信號在信號矩陣中所處的不同報文段，信號名表示命名信息。接口類型一般可以分為發送/接收（Sender/Receiver，S/R）、客戶/服務（Client/Server，C/S）及運行實體件變量（Inter Runnable Variable，IRV）等。數據類型、初始值、有效值范圍和描述信息用于明確該信號的具體信息。接收/發送模塊表示使用該信號進行交互的運行實體。

接口設計規定了軟件程序需要實現的行為和功能，使得在設計階段可以最大程度地使軟件開發結果可預見，從而保障軟件的品質。

3.2 架構設計

架構設計階段需要使用DaVinci Developer開發工具，該開發工具產自Vector公司，是一款專門用于乘用車ECU軟件的開發工具。用戶可以使用該軟件的圖形用戶界面進行圖形化設計，可進行應用層軟件開發并定義程序界面，最終生成架構層面源代碼。圖4展示了DaVinci Developer工具中圖形化設計操作界面，該設計方式降低了開發難度，無需開發人員具備較強的編碼經驗，只需要了解各模塊的功能，并根據接口設計方案便可輕松完成架構設計工作，大大提升了開發效率和代碼品質。另外，該工具可以兼容DaVinci系列的其他工具，增強了后續開發的連貫性，為各階段的設計師提供了統一環境?；贒aVinci Developer進行應用層軟件架構及相應接口的設計完成后，可以導出arxml格式的描述文件，用于指導后續建模。

3.3 模型建模

架構設計階段生成的arxml文件需要導入MATLAB工具中進行SIMULINK/Stateflow建模[3]，模型的設計過程需要充分結合系統功能的邏輯關系。該環境下，研發人員可根據功能進行任務劃分，并根據各自的設計任務修改子模型，提高了軟件開發速度，并且通過可視化的表現，為開發人員提供設計新思路。圖5展示了某功能模型圖，其中狀態機表示所處的狀態，如：OFF/ON，優先級數值越小表示優先級越高，遷移表示從一個狀態遷移到另一個狀態，判斷條件是否滿足遷移一般分為條件成立和條件不成立。

建模過程中需要同步進行建模標準檢查，可以根據標準使用Model Advisor工具進行自動模型檢查。Model Advisor提供相關建模標準（例如MAAB標準）的檢查選項，使建立的模型可以符合建模標準。該工具能夠對模型的潛在問題進行檢查，找出可能限制代碼效率的情況，為模型的設計人員提出相應的意見。Model Advisor的打開界面（圖6），通過選擇檢查的目標和檢查標準，可根據檢查項對模型進行檢查，并最終生成準確率高和復雜度低的代碼。

3.4 自動代碼生成

在模型得到充足的驗證后，可以進行自動代碼生成工作。MATLAB中的代碼生成工具可將上一階段完成的模型編譯并轉化為C代碼。在生成代碼前，首先需要對代碼生成的步長類型等進行配置后再編譯，編譯通過的情況下，會自動生成相應的代碼報告，如圖7所示。

報告中包含子系統報告和靜態代碼報告等，開發者可根據這些描述文件了解模型的具體配置信息。因代碼與模型互相對應，可以通過模型找到代碼，也可以通過代碼找到模型，為開發者在模型代碼對照的過程中提供極大便利。

4 模型測試

4.1 軟件在環測試

軟件在環測試[4]目的是測試軟件的準確性，評估代碼可行性，屬于對代碼的早期驗證，意義重大。軟件在環測試可以被理解為對模型和代碼的聯合仿真，通過對比模型測試的真實輸出和開發者期待的真實輸出來判斷模型功能實現是否正確。此環節中，可以使用Simulink Design Verifier工具進行測試，該工具可通過手動編寫或自動生成測試用例的方式對模型邏輯進行驗證并生成測試報告（圖8），報告中包含兼容性檢查、設計錯誤檢查和模型覆蓋度檢查等。

測試用例的覆蓋率通過百分比數值體現，通過判斷是否滿足設定目標確定測試用例的有效性。如圖8所示，通過生成的報告，開發者可以清楚地了解模型中是否有未執行的遷移條件，從而減少錯誤的發生。因此，在完成軟件在環測試后，如能夠在達到較好覆蓋率的情況下仍可滿足最初設定的功能需求，則該代碼具備很高的可靠性。

4.2 實車測試

控制器多數信號都是通過CAN總線方式進行接收，通過程序運行進行邏輯運算，然后以CAN報文的形式發送到總線上供其他控制器使用。如圖9所示，實車測試過程中更多是使用CANalyzer工具和CANoe軟件進行CAN通信和信號測試。測試過程中，通過CAN的硬件接口將相應的虛擬節點替換成設計完成的真實節點，其他的虛擬節點不變，然后把實際物理節點與虛擬節點連接到一起，對真實節點進行測試，確保其能夠實現系統功能。將實際系統的部分負載與計算機連接，然后應用嵌入式軟件對真實環境下的運行情況進行驗證，更能夠證明該研究方法下開發的控制系統的有效性。

5 結束語

基于MBD的乘用車嵌入式軟件開發方法是一種高效、靈活和低成本的開發方法，這種方法對于當下乘用車軟件開發的高速迭代需求具有非常重要的意義，其高效的開發手段和驗證方式，可以在極大程度上保證開發的時效性和產品的品質。因此，把基于模型的設計流程應用到乘用車嵌入式軟件開發中，可極大降低模型開發過程中的時間成本和人力成本，提高開發效率，減少潛在錯誤。

參考文獻：

[1] 查正運. 基于模型驅動的汽車電子軟件開發方法研究[J]. 科技創新與應用，2015（25）：76.

[2] 王永樂. 一種基于V模型的嵌入式軟件測試方案[J]. 電子制作，2015（8）：82.

[3] 王鑫，李惠宇，王茹，等. 基于Simulink模型的車身控制系統設計[J]. 汽車電器，2023（7）：37-41.

[4] 王麗娟，劉全周，李占旗，等. 汽車電子嵌入式軟件單元測試用例設計方法研究[J]. 中國汽車，2022（8）：14-18，23.

（編輯 凌 波）

作者簡介韓昊（1997—），男，助理工程師，碩士，從事汽車嵌入式軟件開發工作。